Судовая двигательно-движительная установка с накопителем энергии

Авторы патента:

Полезная модель относится к устройствам электрического привода для передачи энергии от первичного теплового двигателя к движителям. Устройство содержит тепловой двигатель 1, первый вал 2, вариатор 3, второй вал 6, на котором установлен гребной винт 7. В состав вариатора входит первая униполярная машина - униполярный генератор 4, вторая униполярная машина - униполярный двигатель 5, механически не соединенные между собой, а также третья униполярная машина 16, установленная на полом валу 14, который закреплен на подшипниках или магнитных подвесах коаксиально первому или второму валу. На этом же полом валу 14 установлен накопитель энергии - маховик 17. На всех валах установлены датчики вращения (8, 9, и 18). Задача режимов осуществляется с помощью системы управления 12, системы управления 21 верхнего уровня, которые управляют токами возбуждения униполярных машин и тепловым двигателем через его блок управления 13. В зависимости от управляющих сигналов машина 16 работает в двигательном или генераторном режиме, а соответственно маховик накапливает или отдает системе накопленную энергию. Это позволяет отказаться от использования нелинейного полупроводникового преобразователя частоты в тракте передачи энергии от теплового двигателя к гребному винту, повысить эффективность использования энергии и надежность, снизить уровень электромагнитных помех, гармонических составляющих и потерь, массу и габариты установки.

Полезная модель относится к области судостроения, а конкретно - к устройствам электрического привода для передачи энергии от первичного теплового двигателя к движителям.

Известна гребная электрическая установка [патент РФ 2392180 опубл. 20.06.2010], состоящая из гребного электродвигателя, присоединенного к гребному винту через редуктор и разъединительные муфты. Гребной электродвигатель подключен к источнику электроэнергии через статический преобразователь частоты. В структуре так же имеется задатчик частоты вращения гребного винта, который соединен с системой управления, выходы последней подключены к входам управления преобразователя частоты и разъединительных муфт.

К недостаткам этой установки относятся:

- значительная масса и габариты;

- повышенные уровни электромагнитных помех и гармонических составляющих в токе, потребляемом из судовой сети при нелинейном широтно-импульсном преобразовании электроэнергии;

- пониженная надежность и увеличенные потери, в связи с тем, что передача энергии от теплового двигателя к гребному винту, осуществляется через тракт преобразования - электрогенератор, статический преобразователь частоты, рассчитанный на полную мощность установки, редуктор, разъединительные муфты и гребной электродвигатель;

- требуется дополнительный запас мощности в условиях ледового плавания для преодоления воздействий льда на гребной винт, что, в свою очередь, увеличивает массу и габариты установки, а так же потери энергии.

Известны двигательно-движительные установки, в частности для колесных транспортных средств, в которых используются накопители энергии. Одна из таких установок представлена в описании к патенту на полезная моделие Устройство рекуперации энергии торможения машины [патент РФ 2438884 от опубл. 10.01.2012]. Установка содержит маховик, валы, тяговый двигатель, обратимые электрические машины, управляющее устройство, электрический аккумулятор и электрические цепи, соединяющие их, а также трансмиссию и дифференциал. Вал одной обратимой электрической машины соединен с солнечной шестерней дифференциала. Вал другой обратимой электрической машины соединен с водилом дифференциала и трансмиссией, которая соединена с валом тягового двигателя. Маховик соединен с коронным колесом дифференциала.

К недостаткам данного устройства относится сложность конструкции: передача энергии к рабочему органу, в данном случае - к колесам транспортного средства, осуществляется от теплового двигателя к маховику и от маховика через многозвенную планетарную зубчатую передачу и две обратимые электрические машины. Это снижает надежность, увеличивает потери энергии, массу, габариты, стоимость устройства и ограничено в применении в судостроении недостаточностью мощности возможной реализации.

Известна судовая движительно-двигательная установка типа «поворотная колонка» [патент РФ 2119875 опубл. 10.10.1998 г.], которая, несмотря на то, что не имеет накопителя энергии, принята за прототип, т.к. является судовой. Установка содержит заключенный в обтекаемый кожух гребной биротативный электродвигатель и два гребных винта, вращающихся в противоположных направлениях, а именно, контрпропеллер, установленный на валу ротора биротативного двигателя, и гребной винт, установленный на полом валу вращающегося статора, коаксиальном валу ротора.

Кожух установлен с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. Для специалиста очевидно, хотя об этом в описании прямо не сказано, что гребной электродвигатель установки подключен к статическому преобразователю частоты, который, в свою очередь, подключен к энергосистеме и к электрогенератору, приводимому во вращение тепловым двигателем.

К недостаткам прототипа, как и вышеописанного аналога, относятся:

- повышенные масса и габариты;

- пониженная надежность и увеличенные потери, в связи с тем, что передача энергии от теплового двигателя к гребному винту, осуществляется через тракт преобразования - электрогенератор, статический преобразователь частоты, рассчитанный на полную мощность установки и гребной электродвигатель;

Задача, решаемая полезной моделью - расширение арсенала средств и создание новой, надежной судовой двигательно-движительной установки с улучшенными эксплуатационными характеристиками, особенно в маневровых режимах и ледовых условиях движения судна, за счет исключения применения нелинейных широтно-импульсных преобразователей энергии, замены электрогенератора и гребного электродвигателя на электродинамический вариатор с униполярными генератором, гребным электродвигателем, машиной привода маховика и маховиком в своем составе.

Достигаемый технический результат заключается:

- в повышении эффективности за счет применения запасенной энергии;

- в снижении массы и габаритов установки;

- в повышении надежности и снижении уровня электромагнитных помех, гармонических составляющих и потерь в судовой двигательно-движительной установки.

Поставленная задача решается изменением функциональной схемы установки.

Заявляемая судовая двигательно-движительная установка (ДДУ) содержит тепловой двигатель, снабженный блоком управления скоростью вращения и соединенный первым валом с вариатором, который вторым валом соединен с гребным винтом. Валы механически не связаны между собой. Вариатор содержит первую униполярную машину, механически соединенную с первым валом, вторую униполярную машину, механически соединенную со вторым валом, и содержит маховик и третью униполярную машину, закрепленные на третьем валу. Этот вал выполнен полым и мажет быть установлен коасиально первому или второму валу. Третий вал установлен на первом или втором валу на опоре вращения (подшипниках или магнитном подвесе). Все три униполярные машины электрически соединены между собой. На каждом валу установлен датчик скорости вращения, они соединены с системой управления установкой, к которой также подсоединены обмотки возбуждения униполярных машин и подсоединен блок управления скоростью вращения теплового двигателя.

Полезная модель иллюстрируется Фигурами, на которых представлено: Фиг.1 - схема двигательно-движительной установки с маховиком, установленным на выходе вариатора, Фиг.2 то же с маховиком на входе вариатора.

Заявляемая установка, представленная на Фиг.1 содержит тепловой двигатель 1 (например, турбина), который первым валом 2 механически соединен с вариатором 3, а конкретно, с первой униполярной машиной, работающей в режиме генератора (далее - униполярный генератор 4), которая входит в состав вариатора 3. Таким образом, тепловой двигатель 1 и униполярный генератор 4 вариатора установлены на одном валу (первом валу 2). В состав вариатора также входит вторая униполярная машина, работающая в режиме двигателя (далее - униполярный двигатель 5), установленная на втором валу 6, на котором также установлен гребной винт 7 фиксированного шага. На валах 2 и 6 установлены первый и второй датчики скорости вращения - 8 и 9, соответственно. Валы 2 и 6 механически не связаны между собой и могут находиться по одной геометрической оси и в одной плоскости, как показано на Фиг.1, или под заданным углом и тоже - в одной или разных плоскостях. Униполярные машины 4 и 5 электрически соединены между собой шинами 10, а их обмотки возбуждения 11 соединены с системой управления 12, которая своими другими входами соединена с датчиками скорости вращения 8 и 9, а также с блоком управления 13 скоростью вращения теплового двигателя 1. В этом варианте исполнения на втором валу 6 коаксиально, с помощью подшипников и/или электромагнитного подвеса 14, установлен полый вал 15. Таким образом, все валы не связаны между собой. На полом валу 15 установлена третья униполярная машина 16 (ее ротор) вариатора 3, установлен накопитель энергии - маховик 17, и третий датчик скорости вращения 18. Токовые выводы третьей униполярной машины 16 с помощью шин 19 так же соединены с соответствующими токовыми выводами униполярных машин 4 и 5 вариатора 3. Обмотка возбуждения 20 третьей униполярной машины, выход датчика 18 скорости вращения соединены с системой управления 12 судовой двигательно-движительной установки. Система управления 12 по интерфейсу связана с системой управления 21 верхнего уровня.

В отдельных случаях, как показано на Фиг.2, расположение третьей униполярной машины с маховиком и датчиком скорости вращения в вариаторе может быть изменено. В этом варианте исполнения в вариаторе 3 комплект машин остается неизменным - также униполярный генератор 4, расположенный на первом валу 2, униполярный двигатель 5, расположенный на втором валу 6, на котором установлен также гребной винт 7. Другие перечисленные элементы схемы также присутствуют. Но в этом варианте исполнения третья униполярная машина 16 с маховиком 17 и третьим датчиком скорости вращения 18, установлена на третьем полом валу 15, который коаксиально охватывает первый вал 2, и установлен на нем помощью подшипников и/или электромагнитного подвеса 14. Связи элементов с системой управления 12 остаются как в первом варианте исполнения.

Предлагаемая судовая ДДУ с накопителем энергии (маховиком), представленная на Фиг.1, работает следующим образом.

По сигналам системы управления 21 верхнего уровня, поступающим на систему управления 12, блок управления 13 задает скорость вращения теплового двигателя 1, которая контролируется с помощью датчика 8 скорости вращения системой управления 12.

После разгона теплового двигателя 1, обмотки возбуждения 11 униполярных машин - генератора 4 и двигателя 5 - получают токи, заданные (по величине и направлению) системой управления 12. Униполярный генератор 4 генерирует ток, передаваемый на вход униполярного двигателя 5 по шинам 10. Униполярный двигатель 5 приводится во вращение с заданной системой управления 12 скоростью, контролируемой вторым датчиком 9. Изменение величины тока возбуждения униполярных машин 4 и 5 изменяет мощность на выходных зажимах униполярного генератора 4 и мощность на валу 6 униполярного двигателя 5. Изменение направления тока возбуждения униполярных машин изменяет направление их вращения. По заданию системы управления 21 верхнего уровня, для работы ДДУ на малых скоростях вращения гребного винта 7, по сигналу системы управления 12 в блок управления 13, скорость вращения теплового двигателя 1 может быть понижена. Снижение скорости вращения гребного винта 7 система управления 12 может обеспечить соответствующим уменьшением токов возбуждения униполярного генератора 4 и униполярного двигателя 5, а так же перераспределением токов генератора 4 между двигателем 5 и третьей униполярной машиной 16 с маховиком 17 на полом валу 15.

В начале работы ДДУ заданный ток возбуждения третьей машины 16 обеспечивает равенство ЭДС на ее зажимах и напряжения на шинах 10. При этом полый вал 15 третьей машины 16 вместе с маховиком 17 вращаются на некоторой скорости при минимуме тока, потребляемого машиной 16. Снижение скорости вращения гребного винта 7 с накоплением энергии маховиком 17 осуществляется следующим образом. Система управления 12 уменьшением тока возбуждения третьей машины 16 переводит ее в двигательный режим, и она принимает на себя часть мощности с униполярного двигателя 5, скорость вращения которого уменьшается. Одновременно, снижением тока возбуждения униполярный генератор 4 уменьшает выходную электрическую мощность, а третья машина 16 разгоняет маховик 17, который запасает механическую энергию под контролем системы управления 12. При снижении скорости вращения гребного винта 7 до заданной (системой управления 21 верхнего уровня), токи возбуждения униполярных машин 5 и 16 устанавливаются на уровне, обеспечивающем режим свободного вращения машины 16 без потребления энергии, а машина 5 работает в двигательном режиме, потребляя всю мощность от генератора 4. Если при внешнем воздействии скорость вращения гребного винта 17 уменьшается, противоэдс униполярного двигателя 5 также уменьшается и машина 16 переходит в генераторный режим с отдачей запасенной маховиком 17 энергии. При этом токи возбуждения генератора 4 и машины 16 могут изменяться для ограничения вращающего момента на гребном винте 7 по сигналу второго датчика 9 и для полного использования запасенной маховиком 17 энергии.

При поступлении команды на изменении направления вращения (реверс) гребного винта 7 система управления 12 управляет токами возбуждения униполярных машин вариатора 3 таким образом, чтобы униполярный генератор 4 находился в режиме минимальной нагрузки (холостого хода), вторая униполярная машина (униполярный двигатель 5) перешла в генераторный режим, а третья униполярная машина 16 перешла в двигательный режим с передачей энергии маховику 17. Генераторный режим второй униполярной машины при снижении скорости вращения гребного винта 7 поддерживается увеличением ее тока возбуждения. При достижении заданных предельных значений скорости вращения маховика 17 или тока возбуждения второй униполярной машины, система управления 12 отключает возбуждение машин вариатора 3. Для теплового двигателя 1 задается режим работы на минимальной скорости, униполярный генератор 4 работает в режиме холостого хода, а маховик 17 и ротор машины 16 (полый вал 15) вращаются с запасенной механической энергией. Система управления 12 меняет полярность токов возбуждения машин вариатора 3 и управляет ими следующим образом. Машина 16, работая в генераторном режиме, обеспечивает увеличение скорости вращения гребного винта 7 машиной-двигателем 5 до предельного снижения скорости вращения маховика 17. После этого машина 16 переводится в режим холостого хода, а дальнейшее увеличение скорости и движение осуществляется за счет теплового двигателя 1 и униполярного генератора 4 и униполярного двигателя 5.

Во втором варианте исполнения ДДУ, представленном на Фиг.2, третья униполярная машина 16 с маховиком 17, имеет те же электрические связи с машинами 4 и 5 при отсутствии жестких механических связей между их валами, что и в ДДУ на Фиг.1, и работает аналогично изложенному выше.

Таким образом, применение в судовой двигательно-движительной установке электродинамического вариатора на базе двух униполярных электрических машин и введение третьей униполярной машины с полым валом, коаксиально установленном на опорах вращения на первом или втором валу вариатора, а также наличие маховика - накопителем энергии на полом валу, позволяет:

- повысить эффективность использования энергии;

- исключить из ее традиционной структуры нелинейные широтно-импульсные преобразователи частоты, рассчитанные на полную мощность, что позволяет повысить надежность и снизить уровень электромагнитных помех, гармонических составляющих и потерь;

- снизить потери энергии при работе судна в ледовых условиях и в маневровых режимах;

- снизить массу, габариты установки за счет замены электрогенератора и гребного электродвигателя на электродинамический вариатор с униполярными генератором и гребным электродвигателем и исключения преобразователя частоты, рассчитанного на полную мощность;

- обеспечить возможность установки оси выходного вала вариатора с гребным винтом под заданным углом по отношению к входному валу.

1. Судовая двигательно-движительная установка, характеризующаяся тем, что содержит тепловой двигатель, снабженный блоком управления скоростью вращения и соединенный первым валом с вариатором, который вторым валом соединен с гребным винтом, валы механически не связаны между собой, при этом вариатор содержит первую униполярную машину, механически соединенную с первым валом, вторую униполярную машину, механически соединенную со вторым валом, и содержит маховик и третью униполярную машину, закрепленные на третьем валу, выполненном полым и установленном на опоре вращения коаксиально первому или второму валу, все три униполярные машины электрически соединены между собой, установка также содержит систему управления, на каждом валу установлен датчик скорости вращения, датчики соединены с системой управления, к которой также подсоединены обмотки возбуждения униполярных машин и блок управления скоростью вращения теплового двигателя.

2. Судовая двигательно-движительная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве опоры вращения полого вала применены подшипники.

3. Судовая двигательно-движительная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве опоры вращения полого вала применен магнитный подвес.